Содержание к диссертации
Введение
1 Предпосылки создания вибрационных смесителей лоткового типа с подводом воздуха в нижнюю часть смесительной камеры 9
1.1 Основные проблемы смешения сыпучих материалов и пути их решения 9
1.2 Анализ развития конструкций смесителей для сухих строительных смесей 18
1.3 Цель и задачи исследований 34
1.4 Выводы 35
2 Основы теории работы лоткового смесителя для сухих строительных смесей 36
2.1 Математическая модель движения частицы по вибрирующему лотку 36
2.1.1 Движение частицы по вибрирующему лотку при отсутствии подбрасывания 44
2.1.2 Движение частицы по вибрирующему лотку с подбрасыванием 50
2.1.3 Выбор оптимальных параметров колебаний лотковых смесителей 58
2.2 Математическая модель движения частицы, контактирующей с двумя вибрирующими поверхностями 60
2.3 Математическая модель, описывающая движение по лотку смесителя сыпучей среды 70
2.4 Расчет мощности, потребляемой лотковым смесителем 75
2.4.1 Расчет мощности, потребляемой гребенкой 75
2.4.2 Расчет мощности, потребляемой вибрирующим лотком смесителя 77
2.5 Выводы 83
3 Методики проведения исследований. характеристика экспериментальной установки 85
3.1 План экспериментальных исследований 85
3.1.1 Определение количества повторных опытов 87
3.1.2 Проверка гипотезы о воспроизводимости опытов 90
3.1.3 Расчет коэффициентов уравнений регрессии 90
3.1.4 Проверка адекватности уравнения регрессии 90
3.1.5 Переход от кодированных переменных к
физическим переменным 91
3.2 Стендовая установка смесителя лоткового типа 91
3.3 Методики проведения исследований 96
3.3.1 Определение прочности раствора на сжатие 98
3.3.2 Определение средней плотности раствора 101
3.3.3 Определение плотности растворной смеси 103
3.3.4 Определение расслаиваемости растворной смеси 119
3.3.5 Определение водоудерживающей способности растворной смеси 105
3.3.6 Определение мощности, потребляемой смесителем 106
3.4 Выводы 107
4 Исследование влияния конструктивно-технологических параметров работы лоткового смесителя на эффективность процесса смешения 108
4.1 Исследование процесса смешения компонентов строительной смеси в лотковом смесителе без гребенки 108
4.2 Исследование процесса смешения компонентов строительной смеси в лотковом смесителе с гребенкой 115
4.3 Производительность смесителя для строительных смесей 122
4.4 Мощность, потребляемая смесителем лоткового типа 134
4.5 Выводы 142
5. Выводы по работе 144
Список литературы
- Анализ развития конструкций смесителей для сухих строительных смесей
- Движение частицы по вибрирующему лотку с подбрасыванием
- Определение количества повторных опытов
- Исследование процесса смешения компонентов строительной смеси в лотковом смесителе с гребенкой
Введение к работе
Эффективность производства непосредственным образом связана с совершенствованием технологического оборудования, как вновь вводимого, так и модернизируемого на основе новейших научно-технических достижений. Всестороннее и критическое изучение существующих технологических процессов и оборудования позволяет установить основные их недостатки, узкие места и наметить рациональные пути их устранения.
В последние годы крупные фирмы России и стран ближнего и дальнего зарубежья при выполнении работ по внутренней и наружной отделке помещений и фасадов зданий все чаще отдают предпочтение использованию сухих строительных смесей различного назначения отечественного и импортного производства. Появление большого количества сухих смесей на рынке позволяет значительно разнообразить отделку зданий и помещений, использовать нетрадиционные способы решения инженерных задач при строительстве, реконструкции и ремонте зданий, не ограничивая замыслы архитекторов и дизайнеров.
В России с середины 90-х годов наблюдается резкий рост производства сухих строительных смесей, сопровождающийся расширением действующих и созданием новых производств. Причем технология сухих смесей имеет более чем 30-летнюю историю.
Ключевым оборудованием в процессе приготовления смесей является смеситель. При этом многие исследователи отмечают, что при проектировании смесительных установок необходимо учитывать характеристики дозаторов. Все существующие конструкции смесителей громоздки, не всегда обеспечивают необходимое качество смешения и не могут быть применены при производстве небольших объемов сухих смесей.
В связи с этим возникла необходимость разработки нового смесителя для смешения компонентов сухих строительных смесей, обеспечивающего выше оговоренные требования.
Цель работы: совершенствование конструкции, разработка методик расчета кинематических, технологических и энергосиловых параметров работы лоткового смесителя; внедрение в промышленность лоткового смесителя для получения сухих строительных смесей.
Объектом исследований являлись экспериментальная и промышленная установки смесителя для сухих строительных смесей лоткового типа, осуществляющих смешение компонентов сухих смесей за счет вибрации и подводимого к корпусу смесителя воздуха в нижнюю часть камеры смешения.
Научная новизна работы заключается в установлении аналитических зависимостей, описывающих движение по лотку смесителя сыпучей среды с учетом подвода воздуха к компонентам смеси; разработке математической модели расчета мощности, потребляемой лотковым смесителем, учитывающим конструктивно-технологические особенности его работы; разработке математических уравнений в виде уравнений регрессии, позволяющих определять параметры работы смесителя лоткового типа на его выходные характеристики.
Автор защищает следующие основные положения:
Математическую модель движения частицы по лотку смесителя, учитывающую влияние на нее давления воздуха в нижней части камеры смешения.
Математическую модель движения частицы, контактирующей с вибрирую-
щими поверхностями лотка и гребенки.
3. Математическую модель движения по лотку смесителя сыпучей среды с
учетом подвода воздуха к компонентам смеси.
4. Математическую модель расчета мощности, потребляемой лотковым смеси
телем, учитывающую конструктивно-технологические особенности его ра
боты.
Математические модели в виде уравнений регрессий, позволяющие установить многофакторное воздействие параметров работы смесителя лоткового типа на его выходные характеристики.
Результаты экспериментальных исследований, проведенных на лабораторной установке смесителя для сухих строительных смесей.
Практическая ценность работы. Усовершенствована конструкция смесителя лоткового типа, позволяющая получать сухие строительные смеси с низкой степенью сепарации компонентов смеси, пригодного для производства малых объемов продукции; разработана методика определения потребляемой лотковым смесителем мощности, учитывающая конструктивно-технологические особенности его работы.
Внедрение результатов работы. Лотковый смеситель для сухих строительных смесей внедрен на ООО «Боникс», г. Белгород. Экономический эффект в пересчете на год составил 218 тыс. руб.
Апробация работы. Основные положения настоящей диссертации обсуждались и получили одобрения на научно-практических конференциях и семинарах на кафедре механического оборудования БГТУ им. В.Г. Шухова в 2004, 2005 и 2006 годах.
Публикации. По теме настоящей диссертации опубликовано 10 работ в центральной печати и сборниках кафедры механического оборудования БГТУ им В.Г.Шухова.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по работе, списка литературы (104 наименований) и приложения, которые включают результаты теоретических и экспериментальных исследований в виде таблиц. Общий объем диссертации 160 страниц, содержащих 64 рисунка и 5 таблиц.
Анализ развития конструкций смесителей для сухих строительных смесей
Смеситель для сухих строительных смесей является «сердцем» любого завода по выпуску данной продукции. В современной промышленности используются аппараты, эффект смешения в которых, основан на различных физических воздействиях, например: механические, струйные, пневматические, статические, импульсные, вибрационные, ультразвуковые, магнитные смесители и т.д. Различают два основных вида процесса смешения: периодический и непрерывный [44-46].
Смесители непрерывного действия по способу воздействия на смесь можно условно разделить на гравитационные, центробежные прямоточные, барабанные, вибрационные, червячно-лопастные и лопастные центробежного действия.
В гравитационных смесителях компоненты смешиваются в результате движения сыпучего материала под действием сил тяжести. Известны следующие конструкции этих смесителей: лотковые, бункерные, ударно-распылительные и виброгравитационные.
Гравитационные смесители, как правило, представляют собой вертикальную колонну прямоугольного сечения, внутри которой установлены друг над другом наклоненные лотки, осуществляющие перемешивание компонентов смеси при их свободном падении. Отдельные компоненты смешиваются следующим образом: в момент встречи слоев, стекающих с первых двух лотков; при неравномерном их движении по последующим лоткам; при пересыпании с лотка на лоток.
В этих смесителях можно смешивать только хорошо сыпучие материалы. Этот недостаток удалось устранить в виброгравитационном смесителе, в котором, вследствие применения вибраций, можно смешивать материалы со средней сыпучестью (тальк, мел, углеграфитовые порошки, цемент и т.п.).
Виброгравитационный смеситель представляет собой колонну прямоугольного сечения, на которой установлен непрерывно действующий дозатор, рассчитанный на одновременное дозирование до пяти различных материалов. Внутри каждой секции смесителя имеется несколько ударно-распылительных наконечников, закрепленных на разной высоте и днище с отверстиями.
В отличие от гравитационного смесителя, где компоненты распыляются в одном факеле, в каждой секции виброгравитационного смесителя образуется несколько факелов. В первой секции число факелов равно числу смешиваемых компонентов. Частично смешавшиеся при наложении факелов друг на друга компоненты оседают на днище верхней секции, а затем выводятся через конические отверстия потоками во вторую ступень, где они снова распыляются. Из последней ступени смесь через центральное отверстие поступает в тару. Для увеличения подвижности сыпучего материала корпус смесителя вибрируют с помощью пневматического или механического вибратора.
К преимуществам гравитационных смесителей можно отнести: простоту устройства, отсутствие движущихся побудителей смешения, малые удельные расходы энергии.
Их недостатки: низкое качество смешения, необходимость точного дозирования из-за низкой сглаживающей их способности, возможность смешения материалов только с хорошей и в отдельных случаях — средней сыпучестью.
Следующий тип непрерывно действующих смесителей - барабанные смесители рис. 1.15. В основном это аппараты с цилиндрическим корпусом [47], расположенным горизонтально или с небольшим углом наклона к горизонту (до 4). К наружной поверхности трубчатого корпуса (барабана) / жестко прикрепляют два или более бандажа 2 и 4, которые опираются на опорные ролики б и 8. Барабан приводится во вращение электродвигателем с редуктором 7 через зубчатую пару 3.
Материал, дозируемый питателями, поступает в барабан по наклонной течке 9. Готовая смесь из барабана выходит с противоположного конца. Для поддержания необходимого уровня материала в барабане устанавливается подпорное кольцо. Высыпающийся через кольцо материал попадает в разгрузочную камеру 5, жестко закрепленную на станине смесителя.
Движение частицы по вибрирующему лотку с подбрасыванием
Движение частицы с подбрасыванием от вибрирующей поверхности лотка имеет место только лишь при выполнении условия (2.14), то есть при условии, что параметр перегрузки w 1. Аналитически должно выполняться условие: i.( (d . Л\ sin arctQ\ 2a ACQ sin arctg\ —sin cot V w = —, г 1, (2.22) (g cos a) v противоположного (2.11), в момент времени to, который определяется равенством: So = coto = arcsin 1/ w, (2.23) при этом первоначально находившаяся на поверхности лотка частица отрывается от нее; в этот момент времени согласно (2.10) нормальная реакция N(t) обращается в нуль. Поэтому при выполнении (2.23) будет иметь место движение частицы с отрывом от поверхности.
В отличие от движения без подбрасывания в этом случае может существовать бесконечное множество различных установившихся режимов движения. Кроме формулы, установившиеся режимы с подбрасыванием можно характеризовать двумя числами - кратностью периода переключений р и числом этапов полета в каждом периоде переключений/, совпадающим с числом соударений частицы с поверхностью. В соответствии с этим будем говорить о/7-кратных j-ударных установившихся режимах или о режимах типа///?.
Соотношения (2.1)-(2.14), определяющие поведение частицы, таковы, что ее движение в вертикальном направлении может быть найдено независимо от продольного. Поэтому тип режима (j /p) может быть найден при рассмотрении движения частицы по поперечной координате у.
Рассмотрим установившиеся режимы в случае абсолютно неупругого удара (R=0). В этом случае частица покидает вибрирующую поверхность, имея нулевую вертикальную составляющую начальной скорости (у0 =0). Фазовый угол последующего падения частицы на поверхность рп = cotn определяется из уравнения: —г-2" { Рп - К f + (sin Рп -sin о) - ( Pn - ?о) cos S 0 = 0, (2.24) где, согласно (2.22), sin SQ = 1/w, а ?0 - Ш0 есть фазовый угол, соответствую щий моменту отрыва о ; в этот момент выражение (2.10) непременно должно быть отрицательно. Уравнение (2.23) получается в результате интегрирования уравнения (2.8) при N= 0 и соответствующих начальных условиях; графики его решений представлены на рис. 2.6.
Представленное уравнение (2.24) в дальнейшем является основой для анализа всех возможных режимов движения частицы в случае абсолютно неупругого удара (R=0). Анализ приводит к следующим результатам (см. ось R = 0 на рис. 2.7, где в виде дробей j/p указаны типы режимов, а также их упрощенные формулы):
а) в интервалах где р есть р-й неотрицательный корень уравнения tg = реализуются одно-ударные р-кратные режимы с одним этапом пребывания частицы на поверхности в каждом периоде переключений, т. е. режимы типа \/р; формула таких режимов до ХЬРп —д о + 2яр или в упрощенном виде ...; первые три корня указанного уравнения есть f = 0, & = 4,495, j = 7,721, так что при/7 = 1, 2, 3 условие (2.22) запишется соответственно в виде 1 w 3,30; 4,60 w 6,36; 7,79 а соотноше ( 0 w 9,48; для больших значений р можно считать ър п Р V 1) ние (2.25) записать в виде: п п p-lJ w m (2.26) б) в интервалах д/1 + л-2/?2 w 4 + 7T2p2, (2.27) (прир = 1 имеем 3,30 w 3,72, а при/? = 2 получаем 6,36 WQ 6,59) существуют и устойчивые одноударные /7-кратные режимы с мгновенным контактом частицы с поверхностью лотка; такие режимы типа \1р с формулой oQ о0 +2пр (или в упрощенном виде ) называют режимами с непрерывным подбрасыванием; фазовый угол О о , определяющий момент контакта, для таких режимов определяется по формуле о = arccos жр/w. С ростом кратности р режима, т. е. по мере увеличения параметра перегрузки W, протяженности интервалов (2.27) убывают до нуля;
в) быстро убывают до нуля также протяженности интервалов, в которых существуют и устойчивые двухударные 2р-кратные режимы с непрерывным подбрасыванием (режимы типа 2/2р, с формулой ); наиболее протяженный интервал 3,62 w 3,87 соответствует р - 1, т. е. двухударному двукратному режиму;
Определение количества повторных опытов
Количество повторных опытов проводимых экспериментов определялось из гипотезы о нормальном законе распределения ошибок эксперимента, при условии Wp Wj.
Таблица для параллельных опытов имеются в [83] или определяются на основе поисковых экспериментов по методике, изложенной в [84, 85].
В таблицах 3.3 и 3.4 приведены расчеты определения повторных опытов для проведения экспериментальных исследований.
Для проверки гипотезы с помощью критерия Корхена необходимы результаты нескольких серий параллельных опытов, где определяют среднеквадратичное значение функции отклика [86, 87].
Оценки дисперсий всех серий проведенных опытов считаются однородными, если при уровне значимости q = 0,05 расчетное значение критерия Корхена меньше табличного.
Коэффициенты регрессии рассчитываются методом наименьших квадратов. Основное условие метода формулируется следующим образом: коэффициенты регрессии определяются на основании минимизации суммы квадратов отклонений между экспериментальными уэ и расчетными ур значениями функции отклика: Z(уэ -УрУ = min. (3.1)
Значимость каждого из коэффициентов оценивалась по критерию Стыо-дента. В случае невыполнения условия значимости коэффициент регрессии считается незначимым и приравнивается к нулю [87].
Адекватность полученного уравнения регрессии экспериментальным данным проверяется с помощью критерия Фишера, значение которого представляет собой отношение дисперсии адекватности Sa$ к дисперсии воспроизводимости опыта Sy.
На основании Sad и Sy рассчитывается критерий Фишера, который должен быть меньше соответствующего (при уровне значимости 5 %).
При оптимизации процесса перемешивания строительных смесей в смесительной установке целесообразно представить полученные уравнения в натуральной форме. Переход к физическим переменным в уравнении регрессии осуществляют по следующей формуле: где X/ uXj- значение фактора в физических и кодированных переменных соответственно; Хм - значение фактора на базовом уровне; Ах,- - интервал варьирования по данному фактору. Применительно к нашему случаю
Стендовая установка смесителя лоткового типа для приготовления сухих строительных смесей выполняется в соответствии с требованиями [1-5, 24, 28, 49-51] и с учетом плана и программы экспериментов.
На рис. 3.1 представлена фотография стендовой установки смесителя для строительных смесей. Передняя стенка смесителя выполнена из оргстекла, что делает возможным проводить исследования поведения слоев смешиваемых компонентов с рабочими органами лоткового смесителя.
На рис.3.2 представлена принципиальная схема смесителя для строительных смесей лоткового типа с размером смесительной камеры 400x200x200, принцип действия которого заключен в следующем: исходные компоненты шихты загружаются в бункер / барабанного питателя 2 и по течке 3 попадают во внутреннюю полость смесителя.
Исследование процесса смешения компонентов строительной смеси в лотковом смесителе с гребенкой
Следующим этапом было проведение экспериментальных исследований на лотковом смесителе с гребенкой. При этом были проведены исследования влияния на эффективность процесса смешения компонентов строительной смеси амплитуды а и частоты со колебаний лотка смесителя, угла а его наклона и давления р воздуха в нижней части смесительной камеры. Учитывая инерционность смесителя с гребенкой при исследовании влияния частоты со колебаний лотка смесителя на время перемешивания компонентов смеси до регламентируемого ГОСТом качества частота со колебаний лотка смесителя изменялась от 3 Гц до 15 Гц. Результаты представлены на рис. 4.5.
Для обеспечения равных условий с экспериментом на лотковом смесителе без гребенки амплитуда а колебаний принималась равной 5 мм.
Как видно из рисунка 4.5 при частоте со колебаний лотка смесителя равной 3 Гц (линия 1) в сравнении со смесителем без гребенки процесс смешивания идет более интенсивно и регламентированного качества смесь достигает через 10 минут смешения.
С увеличением частоты со колебаний лотка смесителя до 6 Гц (линия 2) интенсивность процесса смешения возрастает и регламентируемого ГОСТом качества смесь достигает после 8 минут смешения компонентов смеси.
При увеличении параметра СУ до 9 Гц (линия 3) также наблюдается повышение интенсивности смешения компонентов строительной смеси и величина параметра Ясж, равная 15 МПа, наблюдается к 7,5 минутам смешения. При этом, учитывая более интенсивное воздействие на компоненты смеси в более длительный срок, чем в эксперименте без гребенки, сохраняется удовлетвори тельное качество смеси (Ясж 15 МПа) и не наблюдается расслоения компонентов смеси.
Линия 4 описывает процесс смешения компонентов строительной смеси при частоте со колебаний лотка смесителя равной 12 Гц. Как видно из рисунка, регламентированного качества смесь достигает после 6 минут смешивания и в течение более 4 минут при продолжающемся смешении смесь соответствует требованиям ГОСТа и не расслаивается.
С увеличением частоты со колебаний лотка смесителя до 15 Гц в начальный период времени наблюдается наибольшая эффективность процесса смешения компонентов смеси и через 4 минуты смесь достигает 85 % качества. Регламентированное ГОСТом качество смесь приобретает через 5 минут смешения. Учитывая интенсивное воздействие лопаток гребенки и лопаток днища смесителя, после 5 минут смешения строительная смесь соответствует требованию ГОСТа и расслоения смеси не наблюдается в течение всего периода наблюдения.
На рис. 4.6. представлены результаты экспериментальных исследований по определению влияния амплитуды а колебаний лотка смесителя с гребенкой на качестве смеси при постоянной частоте со колебаний лотка смесителя, равной 10 Гц.
Как видно из рисунка, при любых значениях а, функция RC3lc{t) носит возрастающий характер. Например, при амплитуде а колебаний лотка смесителя равной 4 мм (линия 1) через 10 минут смешения смесь достигает необходимого качества. С увеличением амплитуды а колебаний лотка до 6 мм (линия 2) подобного качества смесь приобретает уже через 8 минут смешения. Дальнейшее увеличение амплитуды а колебаний лотка до 8 мм также увеличивает интенсивность перемешивания компонентов смеси, которая через 6,5 минут приобретает стандартное качество.
Линия 4 характеризует процесс смешения компонентов смеси при параметре а, равном 10 мм. При этом видно, что после 5,5 минут перемешивания величина Ясж превышает 15 МПа и остается на этом уровне в течение всего периода наблюдений.
С увеличением амплитуды а колебаний лотка до 12 мм (линия 5) через 5 минут смешения смесь приобретает регламентированное ГОСТом качество, что является минимальным значением функции Ясж (/, а). Однако, высокая интенсивность вибрации вызывает расслоение смеси между 10 и 11 минутами смешения компонентов строительных смесей.
Таким образом, сравнивая графики, изображенные на рис. 4.2 и рис. 4.6 видно, что в лотковом смесителе с гребенкой процесс смешивания компонентов строительных смесей идет более интенсивно в сравнении со смесителем без гребенки и производительность в связи с этим повышается.
На рис. 4.7. представлены результаты экспериментальных исследований по определению влияния давления воздуха в нижней части смесительной камеры на качество строительной смеси в лотковом смесителе с гребенкой при амплитуде и частоте колебаний равными, соответственно, 5 мм и 10 Гц
